JP7420401B2 - Computational System Pathology Spatial Analysis Platform for Multiparameter Cellular and Subcellular Image Data in Situ or In Vitro - Google Patents
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Description
本発明は、デジタルパソロジーに関しており、特に、インサイチュ又はインビトロでの高次元細胞及び細胞内解像画像データを統合し、視覚化し、モデル化することができる包括的計算システムパソロジー空間分析(CSPSA)コンピュータプラットフォームに関する。 The present invention relates to digital pathology, and in particular to comprehensive computational system pathology spatial analysis (CSPSA) capable of integrating, visualizing, and modeling high-dimensional cellular and subcellular resolution image data in situ or in vitro. ) regarding computer platforms.
デジタルパソロジーとは、組織学的に染色された組織サンプルを取得、保存、及び表示することを指しており、セカンドオピニオンテレパソロジー、免疫染色の解釈、術中テレパソロジーなどのニッチな用途で当初は注目を集めている。通常、3~50枚のスライドで構成される大量の患者データが生検標本から生成されて、病理医によって顕微鏡で視覚的に評価されるが、デジタル技術を用いると高解像度モニターを見て評価できる。手作業が含まれることから、現在のワークフローの実務は時間がかかり、エラーが発生しやすく、主観的である。 Digital pathology refers to the acquisition, storage, and display of histologically stained tissue samples and was initially developed for niche applications such as second opinion telepathology, immunostain interpretation, and intraoperative telepathology. It is attracting attention. A large amount of patient data, typically consisting of 3 to 50 slides, is generated from a biopsy specimen and evaluated visually by a pathologist under a microscope, but with digital technology, it can be evaluated by looking at a high-resolution monitor. can. Current workflow practices are time-consuming, error-prone, and subjective due to the manual labor involved.
癌は不均一性疾患(heterogeneous disease)である。ヘマトキシリン・エオシン(H&E)染色組織画像では、不均一性は、上皮内癌、浸潤癌、脂肪組織、血管や正常管のような様々な組織学的構造の存在によって特徴付けられる。更に、多くの悪性腫瘍では、分子及び細胞の不均一性は、異なる患者における腫瘍間で、同じ患者における異なる腫瘍形成(neoplasia)の部位間で、そして単一の腫瘍内での顕著な特徴となっている。腫瘍内不均一性は、表現型の異なる癌細胞クローン亜集団と、腫瘍微小環境(TME)を備える他の細胞型とを伴う。これらの癌細胞クローン亜集団及び他の細胞型には、局所的な骨髄由来ストロマ的幹細胞及び前駆細胞と、腫瘍促進又は腫瘍致死の何れかである免疫炎症性細胞のサブクラスと、癌関連線維芽細胞と、内皮細胞と、周皮細胞とがある。TMEは、発展する生態系と見ることができ、そこでは、癌細胞がこれら他の細胞型との異型相互関係に関わり、利用可能な資源を使用して増殖し、生き延びる。このような観点から、TME内の細胞型の間の空間的相互関係(即ち、空間的不均一性)は、疾患進行及び治療抵抗の主な要因の1つであると考えられる。従って、TME内の空間的不均一性を明らかにして、特定の疾患サブタイプを正しく決定し、個々の患者の最適な治療コースを特定することは是非とも必要なことである。 Cancer is a heterogeneous disease. In hematoxylin and eosin (H&E) stained tissue images, heterogeneity is characterized by the presence of various histological structures such as carcinoma in situ, invasive carcinoma, adipose tissue, blood vessels and normal ducts. Furthermore, in many malignancies, molecular and cellular heterogeneity is a prominent feature between tumors in different patients, between different sites of neoplasia in the same patient, and within a single tumor. It has become. Intratumoral heterogeneity involves phenotypically distinct cancer cell clonal subpopulations and other cell types comprising the tumor microenvironment (TME). These cancer cell clonal subpopulations and other cell types include local bone marrow-derived stromal stem and progenitor cells, subclasses of immunoinflammatory cells that are either tumor-promoting or tumor-killing, and cancer-associated fibroblasts. There are cells, endothelial cells, and pericytes. The TME can be viewed as an evolving ecosystem in which cancer cells engage in heterotypic interactions with these other cell types, use available resources to proliferate, and survive. From this point of view, spatial interrelationships between cell types within the TME (ie, spatial heterogeneity) are considered to be one of the main factors of disease progression and treatment resistance. Therefore, it is imperative to characterize the spatial heterogeneity within the TME to correctly determine specific disease subtypes and identify the optimal treatment course for individual patients.
今日まで、腫瘍内不均一性は、3つの主要なアプローチを使用して調査されてきた。第1のアプローチは、腫瘍の特定領域からコア試料を採取し、集団平均を測定することである。試料の不均一性は、全エクソーム解析、エピジェネティクス、プロテオミクス、及びメタボロミクスなどの複数の技術を使用して、腫瘍内の複数のコアを分析することにより測定される。第2のアプローチは、組織からの細胞の分離後に、上記の方法、RNASeq、画像化又はフローサイトメトリーを使用する「単一細胞分析」を含んでいる。第3のアプローチは、光学顕微鏡画像化の空間分解能を利用して空間コンテクストを維持し、分子特異的標識と組み合わせて細胞のバイオマーカーをインサイチュで測定するものである。バイオマーカーは、細胞型、活性化の状態(例えば、標的タンパク質のリン酸化)、及び細胞内機能を特定することができる。これらのアプローチは、各々が一定レベルの効果を発揮する一方で、様々な欠点と限界を有している。 To date, intratumoral heterogeneity has been investigated using three major approaches. The first approach is to take a core sample from a specific area of the tumor and measure the population average. Sample heterogeneity is measured by analyzing multiple cores within the tumor using multiple techniques such as whole exome analysis, epigenetics, proteomics, and metabolomics. A second approach involves "single cell analysis" using the methods described above, RNASeq, imaging or flow cytometry after isolation of cells from tissue. A third approach utilizes the spatial resolution of light microscopy imaging to maintain spatial context and in combination with molecular-specific labels to measure cellular biomarkers in situ. Biomarkers can identify cell type, state of activation (eg, phosphorylation of target proteins), and intracellular function. While each of these approaches has a certain level of effectiveness, they have various drawbacks and limitations.
更に、腫瘍不均一性の臨床的意義を評価する上での最大の問題の1つは、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データの空間的解析のための高度なツールがないことである。 Furthermore, one of the biggest problems in assessing the clinical significance of tumor heterogeneity is the lack of sophisticated tools for spatial analysis of multiparametric cellular and subcellular image data.
ある実施形態では、複数の患者又は幾つかの多細胞インビトロモデルからの複数の組織サンプルから得られたマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから、疾患の進行を分析する方法が提供される。本発明の方法は、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにおいて、幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の全体的定量化を生成する工程と、全体的定量化に基づいて、複数の組織サンプルについて複数のマイクロドメインを特定する工程であって、各マイクロドメインは複数の組織サンプルの個々の1つに関連している、工程と、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データについて重み付きグラフを構築する工程と、を含む。重み付きグラフは、複数のノードと、各々が前記ノードの対の間に位置する複数のエッジとを有し、重み付きグラフにおいて、各ノードはマイクロドメインの特定の1つであり、重み付きグラフにおけるマイクロドメインの各対の間のエッジは、マイクロドメインのその対の間の類似度の度合いを示す。 In certain embodiments, methods are provided for analyzing disease progression from multiparameter cellular and subcellular image data obtained from multiple tissue samples from multiple patients or several multicellular in vitro models. The method of the present invention is based on the steps of: generating a global quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in multiparameter cellular and subcellular image data; identifying a plurality of microdomains for a plurality of tissue samples, each microdomain being associated with a respective one of the plurality of tissue samples; constructing a weighted graph. The weighted graph has a plurality of nodes and a plurality of edges, each node being located between a pair of said nodes, in the weighted graph each node is a particular one of the microdomains, and the weighted graph The edge between each pair of microdomains in indicates the degree of similarity between that pair of microdomains.
別の実施形態では、複数の患者又は幾つかの多細胞インビトロモデルからの複数の組織サンプルから得られたマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから、疾患の進行を分析するためのシステムが提供される。本発明のシステムは、(i)マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにおいて、幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の全体的定量化を生成するように構成された空間的不均一性定量化コンポーネントと、(ii)全体的定量化に基づいて、複数の組織サンプルについて複数のマイクロドメインを特定するように構成されたマイクロドメイン識別コンポーネントであって、各マイクロドメインは複数の組織サンプルの個々の1つに関連している、マイクロドメイン識別コンポーネントと、(iii)マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データについて重み付きグラフを構築する重み付きグラフコンポーネントであって、重み付きグラフは、複数のノードと、各々がノードの対の間に位置する複数のエッジとを有し、重み付きグラフにおいて、各ノードはマイクロドメインの特定の1つであり、重み付きグラフにおけるマイクロドメインの各対の間のエッジは、マイクロドメインのその対の間の類似度の度合いを示す、重み付きグラフコンポーネントとを含む処理装置を含む。 In another embodiment, a system is provided for analyzing disease progression from multiparameter cellular and subcellular image data obtained from multiple tissue samples from multiple patients or several multicellular in vitro models. . The system of the present invention comprises: (i) spatially configured to generate global quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in multi-parameter cellular and intracellular image data; (ii) a microdomain identification component configured to identify a plurality of microdomains for a plurality of tissue samples based on the global quantification, wherein each microdomain (iii) a weighted graph component that constructs a weighted graph for the multiparameter cellular and subcellular image data, the weighted graph being associated with a respective one of the tissue samples; , has a plurality of nodes and a plurality of edges, each located between a pair of nodes, in a weighted graph, each node being a particular one of the microdomains, and each node of the microdomains in the weighted graph The edges between the pairs include a processing unit that includes a weighted graph component indicating a degree of similarity between the pair of microdomains.
更に別の実施形態では、複数の患者又は幾つかの多細胞インビトロモデルからの複数の組織サンプルから得られたマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから、空間情報に基づく異種細胞間コミュニケーションの表現を生成する方法が提供される。本発明の方法は、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ内の幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の定量化を生成して、定量化に基づいて前記幾つかの組織サンプルの1つについてマイクロドメインを特定する工程であって、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにフェノタイピングを実行して前記幾つかの異なる所定の表現型を特定することを含む、工程と、マイクロドメインについてコミュニケーショングラフを構築する工程とを含む。各表現型は、前記コミュニケーショングラフのノードであって、コミュニケーショングラフの表現型の各対の間のエッジは、その対における一方の表現型がその対における他方の表現型の存在に与える影響を示す。 In yet another embodiment, a spatially informed representation of heterogeneous cell-to-cell communication is generated from multiparameter cellular and subcellular image data obtained from multiple patients or multiple tissue samples from several multicellular in vitro models. A method is provided. The method of the present invention generates a quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in multiparameter cellular and intracellular image data, and based on the quantification, the spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes is identifying microdomains in one of the tissue samples, the step comprising performing phenotyping on multiparametric cellular and subcellular image data to identify the several different predetermined phenotypes; and constructing a communication graph for the microdomain. Each phenotype is a node in the communication graph, and the edges between each pair of phenotypes in the communication graph indicate the influence of one phenotype in the pair on the presence of the other phenotype in the pair. .
更に別の実施形態では、複数の患者又は幾つかの多細胞インビトロモデルからの複数の組織サンプルから得られたマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから、空間情報に基づく異種細胞間コミュニケーションの表現を生成するためのコンピュータシステムが提供される。本発明のシステムは、(i)マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにおける幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の定量化を生成するように構成された空間的不均一性定量化コンポーネントであって、特定の異なる所定の表現型を特定するためにマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データで細胞フェノタイピングを実行する、空間的不均一性定量化コンポーネントと、(ii)定量化に基づいて、幾つかの組織サンプルについて複数のマイクロドメインを特定するように構成されたマイクロドメイン識別コンポーネントであって、各マイクロドメインは、幾つかの組織サンプルの1つに関連している、マイクロドメイン識別コンポーネントと、(iii)複数のマイクロドメインの選択された一つについてコミュニケーショングラフを構築するように構成されているコミュニケーションネットワークコンポーネントであって、各表現型は、コミュニケーショングラフのノードであって、コミュニケーショングラフの表現型の各対の間のエッジは、その対における一方の表現型がその対における他方の表現型の存在に与える影響を示す、コミュニケーションネットワークコンポーネントとを含む処理装置を含む。 In yet another embodiment, a spatially informed representation of heterogeneous cell-to-cell communication is generated from multiparameter cellular and subcellular image data obtained from multiple patients or multiple tissue samples from several multicellular in vitro models. A computer system is provided for doing so. The system of the present invention comprises: (i) spatial heterogeneity configured to generate a quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in multiparameter cellular and intracellular image data; (ii) a spatial heterogeneity quantification component that performs cellular phenotyping on multiparameter cellular and subcellular image data to identify specific distinct predetermined phenotypes; a microdomain identification component configured to identify a plurality of microdomains for the number of tissue samples based on the number of tissue samples, each microdomain being associated with one of the number of tissue samples; a microdomain identification component; and (iii) a communication network component configured to construct a communication graph for a selected one of the plurality of microdomains, wherein each phenotype is a node of the communication graph. , an edge between each pair of phenotypes in the communication graph includes a processing unit that includes a communication network component that indicates the influence of one phenotype in the pair on the presence of the other phenotype in the pair.
更に別の形態では、特定の患者のための個別化医療戦略を作成する方法であって、特定の患者は幾つかの患者のうちの1人であり、幾つかの患者は、前記幾つかの患者からの幾つかの組織サンプルから得られたマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データと関連付けられている方法が提供される。本発明の方法は、特定の患者に関連する幾つかの組織サンプルの1つにおける複数のマイクロドメインを特定する工程であって、複数のマイクロドメインは、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データに基づいている、工程と、複数のマイクロドメインの各々について異種細胞間コミュニケーションネットワークを生成する工程であって、各異種細胞間コミュニケーションネットワークは、マイクロドメインの空間情報に基づく異種細胞間コミュニケーションの表現を含む、工程と、異種細胞間通信ネットワークに基づいて、マイクロドメインの空間的及び時間的な相互依存関係を定量化する工程と、その定量化された結果に基づいて、特定の患者のための医療戦略を立てる工程とを含む。 In yet another form, a method of creating a personalized medical strategy for a particular patient, the particular patient being one of several patients, wherein the particular patient is one of several patients. A method is provided that is associated with multiparameter cellular and intracellular image data obtained from several tissue samples from a patient. The method of the invention includes identifying a plurality of microdomains in one of several tissue samples associated with a particular patient, the plurality of microdomains being identified based on multiparameter cellular and subcellular image data. and a step of generating a heterogeneous intercellular communication network for each of the plurality of microdomains, each heterogeneous intercellular communication network including a representation of heterogeneous intercellular communication based on spatial information of the microdomains. and the process of quantifying the spatial and temporal interdependence of microdomains based on heterogeneous intercellular communication networks, and developing medical strategies for specific patients based on the quantified results. process.
更に別の実施形態では、特定の患者における疾患の時間発展を表現する方法が提供され、特定の患者は幾つかの患者のうちの1人であり、幾つかの患者は、幾つかの患者からの幾つかの組織サンプルから得られたマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データと関連付けられている。本発明の方法は、特定の患者について疾患のランドスケープの幾何学的表現を生成する工程であって、幾何学的表現は複数の点を含み、幾何学的表現の各点は、(i)特定の時点における特定の患者の疾患状況を記述し、選択された患者に関連する幾つかの組織サンプルのうちの特定の1つに基づいており、(ii)マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データに基づいている幾つかの組織サンプルのうちの特定の1つにおけるマイクロドメインに基づいており、(iii)マイクロドメインについて空間情報に基づく異種細胞間コミュニケーションネの表現を含むマイクロドメインについての異種細胞間コミュニケーションネットワークを含む、工程を含む。 In yet another embodiment, a method is provided for representing the time evolution of a disease in a particular patient, where the particular patient is one of several patients, and where the several patients are one of several patients. associated with multi-parameter cellular and intracellular image data obtained from several tissue samples. The method of the invention includes the step of generating a geometric representation of a disease landscape for a particular patient, the geometric representation comprising a plurality of points, each point of the geometric representation having a specific (ii) describes the disease status of a particular patient at a time point in time and is based on a particular one of several tissue samples associated with the selected patient; and (ii) is based on multiparametric cellular and intracellular imaging data. (iii) a heterogeneous intercellular communication network for the microdomain that includes a representation of a heterogeneous intercellular communication network based on spatial information about the microdomain; including, including a process.
本明細書では、「ある」や「その」の単数形は、文脈が明らかに別のことを示さない限り、複数への言及を含む。 As used herein, the singular forms "a" and "the" include plural references unless the context clearly dictates otherwise.
本明細書では、2つ以上の部品又は構成要素が「結合」されている旨の記載は、繋がりが発生する限りにおいて、直接又は間接的に、即ち1又は複数の中間部品又は構成要素を介して部品が結合される、又は一緒に動作することを意味する。 In this specification, the statement that two or more parts or components are "coupled" means that the connection occurs directly or indirectly, that is, through one or more intermediate parts or components. means that parts are connected or work together.
本明細書では、用語「幾つか」は、1又は1よりも大きい整数(即ち、複数)を意味する。 As used herein, the term "some" means one or an integer greater than one (ie, a plurality).
本明細書では、用語「構成要素」及び「システム」は、ハードウェア、ハードウェアとソフトウェアの組合せ、ソフトウェア、又は実行中のソフトウェアの何れかであるコンピュータ関連エンティティに言及することを意図している。例えば、構成要素は、プロセッサ上で実行されるプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行可能ファイル、実行スレッド、プログラム、及び/又はコンピュータであってよく、また、これらに限定されない。例えば、サーバー上で実行されているアプリケーションとサーバーの両方が構成要素とされてよい。1又は複数の構成要素は、プロセス及び/又は実行スレッド内に常駐することができ、構成要素は、1つのコンピュータに局在し、及び/又は、2つ以上のコンピュータ間で分散することができる。ユーザーに情報を表示する幾つか方法は、スクリーンショットとして特定の図又はグラフで示されて説明されているが、関連する技術分野の当業者は、他の様々な代替手段が採用できることを認識であろう。 As used herein, the terms "component" and "system" are intended to refer to a computer-related entity that is either hardware, a combination of hardware and software, software, or running software. . For example, a component may be, and is not limited to, a process running on a processor, a processor, an object, an executable file, a thread of execution, a program, and/or a computer. For example, both an application running on a server and a server may be components. One or more components may reside within a process and/or thread of execution, and a component may be local to one computer and/or distributed between two or more computers. . Although several ways of displaying information to a user have been illustrated and described as screenshots and in particular diagrams or graphs, those skilled in the relevant art will recognize that various other alternatives may be employed. Probably.
本明細書では、「マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ」という用語は、組織の幾つかの切片から幾つかの画像を生成して得られたデータであって、組織のそれら切片における細胞又細胞内レベルの複数の測定可能パラメータに関する情報を提供するデータを意味する。マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データは、幾つかの異なる画像技術によって作成されてよく、画像技術としては、例えば、(1)幾つかのバイオマーカーを使用したIHCによる透過光イメージング、(2)マルチプレックスイメージング(1~7つのバイオマーカー)とハイパープレックスイメージング(7つを超えるバイオマーカー)の両方を含む免疫蛍光イメージング、(3)トポノームイメージング(toponome imaging)、(4)マトリックス支援レーザー脱離/イオン化質量分析イメージング(MALDI MSI)、(5)相補的空間イメージング、例えば、FISH、MxFISH、FISHSEQ、又はCyTOF、(6)マルチパラメータイオンビームイメージング、(7)実験モデルのインビトロイメージングが挙げられるが、これらに限定されない。加えて、例えば、限定ではないが、組織の各切片を複数の異なるバイオマーカーで標識することによって組織の幾つかの切片から幾つかのバイオマーカー画像を生成することで、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データが生成されてよい。 As used herein, the term "multiparameter cellular and intracellular image data" refers to data obtained by generating several images from several sections of tissue, including cells or cells in those sections of tissue. refers to data that provides information about multiple measurable parameters at an internal level. Multiparameter cellular and intracellular image data may be generated by several different imaging techniques, including (1) transmitted light imaging by IHC using several biomarkers; (2) multiparameter Immunofluorescence imaging, including both plex imaging (1-7 biomarkers) and hyperplex imaging (more than 7 biomarkers); (3) toponome imaging; (4) matrix-assisted laser desorption/ ionization mass spectrometry imaging (MALDI MSI), (5) complementary spatial imaging such as FISH, MxFISH, FISHSEQ, or CyTOF, (6) multiparameter ion beam imaging, and (7) in vitro imaging of experimental models. Not limited to these. In addition, generating several biomarker images from several sections of tissue, for example, but not limited to, by labeling each section of tissue with multiple different biomarkers, allows for multiparameter cellular and intracellular imaging. Image data may be generated.
本明細書では、用語「空間マップ」は、マルチパラメータの細胞及び細胞内イメージングデータのセットにおける異なる所定の表現型の細胞間の関係を示す幾つかの定量化された空間統計の表現、例えばデータの集まり及び/又は視覚的に知覚可能な形式での空間統計の表現を意味する。例えば、限定ではないが、空間マップは、PCT出願第PCT/US2016/036825及び米国特許出願公開第2018/0204085に記載されている方法で生成されたポイントワイズ相互情報(PMI)マップであってよく、それらの名称は両方とも「Systems and Methods for Finding Regions of Interest in Hematoxylin and Eosin(H&E)Stained Tissue Images and Quantifying Intratumor Cellular Spatial Heterogeneity in Multiplexed/Hyperplexed Fluorescence Tissue Images」であり、それらの開示内容は参照により本明細書の一部となる。 As used herein, the term "spatial map" refers to a representation of some quantified spatial statistics that shows the relationship between cells of different predetermined phenotypes in a set of multiparameter cellular and intracellular imaging data, and/or the representation of spatial statistics in a visually perceptible form. For example, without limitation, the spatial map may be a pointwise mutual information (PMI) map generated in the manner described in PCT Application No. PCT/US2016/036825 and US Patent Application Publication No. 2018/0204085. , both of their names are “Systems and Methods for Finding Regions of Interest in Hematoxylin and Eosin (H&E) Stained Tissue Images and Quantify ing Intratumor Cellular Spatial Heterogeneity in Multiplexed/Hyperplexed Fluorescence Tissue Images, the disclosures of which are incorporated by reference. It becomes part of this specification.
本明細書では、用語「マイクロドメイン」は、組織サンプルにおける表現型的に異なる細胞の空間的配置(又はモチーフ)を意味しており、当該空間的配置は、空間的な腫瘍内不均一性から生じ、そして、1又は複数の予後特異的(outcome specific)変数(例えば、再発までの期間)と関連している。マイクロドメインは、既知の又は今後開発される幾つかの方法の何れかに従って、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから特定されてよい。このような方法としては、参照により本明細書の一部となる米国仮出願第62/675,832号「Predicting the Recurrence Risk of Cancer Patients From Primary Tumors with Multiplexed Immunofluorescence Biomarkers and Their Spatial Correlation Statistics」及びPCT出願第PCT/US2019/033662号「System and Method for Predicting the Risk of Cancer Recurrence From Spatial Multi-Parameter Cellular and Sub-Cellular Imaging Data for Tumors by Identifying Emergent Spatial Domain Networks Associated With Recurrence」、及び/又は、「Spagnolo、et al、Platform for Quantitative Evaluation of Spatial Intratumoral Heterogeneity in Multiplexed Fluorescence Images、CancerRes.2017 Nov 1;77(21):e71-e74」に記載されている方法、及び/又は、前記Spagnoloらの参考文献に記載されているパブリックドメインTHRIVE(Tumor Heterogeneity Research Interactive Visualization Environment)ソフトウェアに実装されている方法であるが、これらに限定されない。その方法では、予後データ(例えば、再発)の多変数生存モデルの共変量としてのバイオマーカー間の空間分解相関を用いて、多重化組織サンプルにおける癌再発の空間的組織化のマップを構築する。これらのマップは、再発や転移の進行に関連するマイクロドメインを描写する。
As used herein, the term "microdomain" refers to a spatial arrangement (or motif) of phenotypically distinct cells in a tissue sample, which spatial arrangement is characterized by spatial intratumoral heterogeneity. occur and are associated with one or more outcome specific variables (eg, time to recurrence). Microdomains may be identified from multiparameter cellular and subcellular image data according to any of several known or later developed methods. Such methods include U.S. Provisional Application No. 62/675,832, “Predicting the Recurrence Risk of Cancer Patients From Primary Tumors with Multiplexed Immune offluorescence Biomarkers and Their Spatial Correlation Statistics” and PCT Application No. PCT/US2019/033662 “System and Method for Predicting the Risk of Cancer Recurrence From Spatial Multi-Parameter Cellular a nd Sub-Cellular Imaging Data for Tumors by Identifying Emergent Spatial Domain Networks Associated With Recurrence” and/or “Spag nolo , et al., Platform for Quantitative Evaluation of Spatial Intratumoral Heterogeneity in Multiplexed Fluorescence Images, Cancer Res. 2017
例えば、上、下、左、右、上側、下側、前、後、及びそれらの派生語など、本明細書で使用される方向に関する語句は、図面に示された要素の方向に関しており、明示的に記載されていない限り、特許請求の範囲を限定しない。 Directional terms used herein, such as, for example, top, bottom, left, right, top, bottom, front, rear, and derivatives thereof, refer to the orientation of elements shown in the drawings and are explicitly It does not limit the scope of the claims unless explicitly stated otherwise.
以下、開示される概念を、本発明の完全な理解を提供するために、説明目的で、多くの具体的な詳細に関して説明する。しかしながら、開示される概念は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これらの具体的な詳細を伴わずに実施することができることは明らかであろう。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS For purposes of explanation, the disclosed concepts are described in many specific details in order to provide a thorough understanding of the invention. It will be apparent, however, that the disclosed concepts may be practiced without these specific details without departing from the spirit and scope of the invention.
開示される概念は、高次元のインサイチュ細胞及び細胞内分解画像データを統合すること、視覚化すること、及び/又はモデル化することができる包括的な計算システムパソロジー空間分析(CSPSA)プラットフォームを提供する。開示される概念のCSPSAプラットフォームは、細胞フェノタイピング(phenotyping)及び空間分析のための既存のツールのコアセットを、空間的異種細胞間コミュニケーション(細胞間)及び細胞内コミュニケーションパターンを推測するための、そして、癌の場合に、前癌の起源から転移の終点までの腫瘍(又は他の疾患)の進化系統樹を構築するための高度なツールセットと組み合わせている。これらのツールを組み合わせることで、組織サンプルとインビトロモデルにおける空間的な腫瘍内不均一性を定量化して、それを予後データと相関させること、診断及び予後診断アプリケーションを構築すること、個別化治療戦略及び創薬を設計することなど、研究と臨床の両方の目的に応用することができる。更に、インサイチュの細胞及び細胞内高精細画像に、領域特異的ゲノミクスと空間的トランスクリプトミクスのデータを追加することで、このプラットフォームを強化することができる。 The disclosed concepts create a comprehensive computational systems pathology spatial analysis (CSPSA) platform that is capable of integrating, visualizing, and/or modeling high-dimensional in situ cellular and subcellularly resolved image data. provide. The CSPSA platform of the disclosed concept combines a core set of existing tools for cellular phenotyping and spatial analysis to infer spatially heterogeneous intercellular (intercellular) and intracellular communication patterns. And, in the case of cancer, it is combined with a sophisticated toolset for constructing evolutionary trees of tumors (or other diseases) from pre-cancerous origins to metastatic endpoints. These tools can be combined to quantify spatial intratumoral heterogeneity in tissue samples and in vitro models and correlate it with prognostic data, to build diagnostic and prognostic applications, and to develop personalized treatment strategies. It can be applied for both research and clinical purposes, such as designing and drug discovery. Furthermore, this platform can be enhanced by adding region-specific genomics and spatial transcriptomics data to in situ cellular and subcellular high-definition images.
図1は、開示される概念の実施形態に基づくインサイチュマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データのための例示的な計算システムパソロジー空間分析(CSPSA)プラットフォーム5の概略図であり、そこでは、本明細書に記載されている様々な方法を実施することができる。図1に示されているように、CSPSAプラットフォーム5は、(例えば、再発及び非再発の癌の腫瘍を含む大規模な患者コホートに関する、或いは、個々の患者又は個々の腫瘍に関する)特定のマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10を受け取って格納し、本明細書に記載されているようにしてそのデータ10を処理するように構成されたコンピュータデバイスである。非限定的で例示的な実施形態では、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10は、多重化又はハイパープレックス化された免疫蛍光イメージングを用いて生成されるが、本明細書の他の箇所に記載されているもののような、他のイメージング技術も使用できることは理解されるであろう。例えば、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10は、図2に表されているような、コホートにおける全患者データに関する例示的なハイパープレックス画像スタック12に基づいてよい。
FIG. 1 is a schematic diagram of an exemplary Computational Systems Pathology Spatial Analysis (CSPSA)
CSPSAプラットフォーム5は、例えば、PC、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、スマートフォン、又は、本明細書に記載された機能を実行するように構成された他の適切なコンピュータデバイスであってよいが、これらに限定されない。CSPSAプラットフォーム5は、入力装置15(キーボードなど)と、ディスプレイ20(LCDなど)と、処理装置25とを含む。ユーザーは、入力装置15を使用して処理装置25に入力を提供することが可能であり、処理装置25は、本明細書で詳細に説明されるように、ディスプレイ20がユーザーに情報(例えば、空間マップ又は他の空間依存性画像、マイクロドメイン画像、重み付きグラフ画像及び/又はコミュニケーションネットワークグラフ画像)を表示できるように、出力信号をディスプレイ20に提供する。処理装置25は、プロセッサ及びメモリを備えている。プロセッサは、例えば、限定ではないが、マイクロプロセッサ(μP)、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)、又はその他の適切な処理デバイスであって、メモリとインターフェースしている。メモリは、コンピュータの内部ストレージ領域のようなデータストレージの場合、RAM、ROM、EPROM、EEPROM、FLASH(登録商標)や、ストレージレジスタを提供するその他のもの、例えば、コンピュータ読み取り可能な媒体のような様々なタイプの内部及び/又は外部ストレージメディアの1又は複数であってよく、揮発性メモリ又は不揮発性メモリであってよい。メモリには、プロセッサによって実行可能な幾つかのルーチンが格納されており、本明細書に記載されているように、開示された概念を実施するためのルーチンを含んでいる。特に、処理装置25は、本明細書に記載されているように、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10における幾つかの異なる所定の表現型の細胞間空間的不均一性の全体的定量化を生成するように構成された空間的不均一性定量化コンポーネント30と、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10から、空間的不均一性定量化コンポーネント30によって生成された全体的定量化に基づいて、複数の腫瘍切片について、本明細書に記載されているようにして複数のマイクロドメインを識別するために構成されたマイクロドメイン識別コンポーネント35と、本明細書に記載されているようにして、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10の重み付きグラフを構築するために構成された重み付きグラフコンポーネント40と、本明細書で記載されているようにして、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10についてコミュニケーションネットワークグラフを構築するように構成されたコミュニケーションネットワークコンポーネント45とを含む。
図3は、患者コホートの複数の腫瘍切片から得られたマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10から腫瘍の進行/進展を分析する方法を示すフローチャートであって、当該方法は、開示される概念の例示的実施形態に基づいてCSPSAプラットフォーム5に実装できる。しかしながら、これは単なる例示であることが意図されており、図3に示された方法のステップは、他の構成及び/又はプラットフォームで実装され得ることは理解されるであろう。
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for analyzing tumor progression/progression from multiparameter cellular and intracellular imaging data 10 obtained from multiple tumor sections of a patient cohort, the method comprising: It can be implemented on the
その方法は、ステップ50で始まり、空間的不均一性定量化コンポーネント30が、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10における空間的不均一性の全体的定量化をもたらす。例示的な実施形態では、ステップ50でもたらされた全体的定量化は、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10の全体的空間マップである。ある特定の実施態様では、全体的空間マップは、図4に示すように、グローバルPMIマップ52であって、本明細書の他の箇所で言及されており、参照により本明細書の一部となるPCT出願第PCT/US2016/036825号及び米国特許出願公開第2018/0204085号に記載されている方法で生成される。この例示的な実施態様では、組織の各切片を複数の異なるバイオマーカー(例えば、ER、PR、及びHER2)で標識して、組織の幾つかの切片から幾つかのバイオマーカー画像を生成することによって、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10が作成される。前述の出願で説明されているように、PMIマップ52は、最初に、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10に対して(即ち、その「スライド」の各々に対して)細胞のセグメンテーションを行うことによって生成される。既知の又は今後開発される適切な細胞セグメンテーションアルゴリズムの幾つかのうちの何れも採用され得る。そして、各細胞について空間的位置及びバイオマーカー強度のデータが得られて、細胞のバイオマーカー強度構成に基づいて、各細胞が、所定の表現型の一つ(各表現型は所定の支配的バイオマーカー強度パターンである)に割り当てられる。図5は、例示的な実施形態における、1乃至8の符号を付された所定の優勢なバイオマーカー強度パターンの各々の模式的表現56を示す。例示的な実施形態では、各模式的表現56は、模式的表現を互いに容易に区別することができるように、固有の色で提供される。ここで説明された細胞割り当てと図5に示された概略表現とが使用されて、対象組織サンプルの不均一性を視覚的に示す細胞空間依存性画像を生成することができる。図6は、開示される概念の1つの特定の例示的な実施形態に基づく細胞空間依存性画像58を示す。図6に示されているように、細胞空間依存性画像58は、模式的表現56を用いて、被験者のスライドの細胞間の空間依存性を示している。次に、空間ネットワークが構築されて、被験者のスライドにおける主要なバイオマーカーの強度パターンの構成を表現する。そして、図4のようなPMIマップ52を生成することで、被験者のスライドの不均一性が定量化される。例示的な実施形態では、空間ネットワーク及びPMIマップ52は、以下に示すように生成される。
The method begins at step 50, where the spatial heterogeneity quantification component 30 provides global quantification of spatial heterogeneity in the multiparameter cellular and subcellular image data 10. In an exemplary embodiment, the global quantification provided in step 50 is a global spatial map of the multiparameter cellular and subcellular image data 10. In certain embodiments, the global spatial map is the
被験者のスライドのバイオマーカー画像(即ち、組織/腫瘍サンプル)におけるバイオマーカーパターンの空間的構成を表現するために、被験者のスライドについて、ネットワークが構築される。腫瘍サンプルについての空間ネットワークの構築は、細胞バイオマーカーの強度データ(ネットワークのノード)と空間データ(ネットワークのエッジ)を本質的に結びつける。ネットワーク構築における前提は、細胞がある特定の限界、たとえば最大250μmまで近くの細胞とコミュニケーションする能力を有しており、細胞がその限界内でコミュニケーションする能力は細胞の距離に依存するということである。従って、例示的な実施形態における確率分布は、被験者のスライドにおける細胞とその10個の最近傍細胞との間の距離について計算される。ハード限界は、(標準偏差を推定するために)この分布の中央値(median value)に1.5を掛けた値に基づいて選択され、ネットワークの細胞はこの制限内でのみ接続された。そして、ネットワークの細胞間のエッジが、隣接する細胞間の距離で重み付けされる。 A network is constructed over the subject's slides to represent the spatial organization of biomarker patterns in the biomarker images (ie, tissue/tumor samples) of the subject's slides. The construction of a spatial network for tumor samples inherently links cellular biomarker intensity data (network nodes) and spatial data (network edges). The assumption in network construction is that cells have the ability to communicate with nearby cells up to a certain limit, e.g. up to 250 μm, and that the ability of cells to communicate within that limit depends on their distance. . Accordingly, a probability distribution in an exemplary embodiment is calculated for the distance between a cell and its 10 nearest neighbors in the subject's slide. A hard limit was chosen based on the median value of this distribution multiplied by 1.5 (to estimate the standard deviation), and the cells of the network were only connected within this limit. Edges between cells in the network are then weighted by the distance between adjacent cells.
次に、例示的な実施形態では、ポイントワイズ相互情報(PMI)を用いて、被験者のスライドについて、ディクショナリにおけるバイオマーカーパターンの各対の間の、ひいては異なる細胞表現型の間の関連性が評価される。このメトリックは、線形と非線形の両方の一般的な統計的関連性をキャプチャし、これまでの研究は、Spearmanのrho係数などの線形メトリックを使用している。バイオマーカーのパターンの各対についてPMIが計算されると、被験者のスライドのデータにおける全ての関連性の尺度がPMIマップ52に表示される。本実施形態におけるPMIの使用は例示的なものに過ぎず、空間的関係を規定する他の方法、例えば、Spagnolo DM,Al-Kofahi Y,Zhu P,Lezon TR, Gough A, Stern AM, Lee AV,Ginty F,Sarachan B, Taylor DL,Chennubhotla SC,Platform for Quantitative Evaluation of Spatial Intratumoral Heterogeneity in Multiplexed Fluorescence Images, Cancer Res.2017 Nov 1と、Nguyen,L.,Tosun,B.,Fine,J.,Lee,A.,Taylor,L.,Chennubhotla,C.(2017),Spatial statistics for segmenting histological structures in H&E stained tissue images,IEEE Trans Med Imaging.2017 Mar 16とに記載された方法が、開示されている概念に関して採用されてよい。
In an exemplary embodiment, pointwise mutual information (PMI) is then used to evaluate the association between each pair of biomarker patterns in the dictionary, and thus between different cell phenotypes, for a subject's slides. be done. This metric captures common statistical associations, both linear and nonlinear, and previous studies have used linear metrics such as Spearman's rho coefficient. Once the PMI is calculated for each pair of biomarker patterns, all measures of association in the subject's slide data are displayed in the
例示的なPMIマップ52は、被験者のスライドの微小環境内における異なる細胞表現型の関係を記述している。特に、PMIマップ52のエントリは、(行と列の番号で参照される)2つの表現型の間の特定の空間的相互作用が、全ての表現型にわたったランダムな(又はバックグラウンドの)分布によって予測される相互作用と比較した場合に、データセットにおいてどのくらいの頻度で発生するかを示している。赤のような第1の色のエントリは、表現型間の強い空間的関連性を示し、黒のような第2の色のエントリは、共局在性の欠如(表現型間の弱い空間的関連性)を示す。他の色が、他の関連性を示すために使用されてよい。例えば、緑のような第3の色で色付けされたPMIエントリは、データセット全体にわたる細胞表現型のランダムな分布よりも優れていない関連性を示す。更に、PMIマップ52は、(例えば、表現型1が表現型3の近くで空間的にめったに発生しない場合)青のような第4の色で示されたエントリで反関連(anti-associations)を表現できる。
The
再び図3を参照すると、ステップ50に続いて、本方法は、次にステップ55に進む。ステップ55において、マイクロドメイン識別コンポーネント35は、ステップ50でもたらされた全体的定量化に基づいて、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10における腫瘍切片の各々において、(例えば、本明細書の他の箇所に記載されているようにして)1又は複数のマイクロドメインを識別し、位置を特定する。例えば、ある癌細胞型とそれと共在する特定の免疫細胞型とは、高い空間共起値(co-occurrence value)を有することがある。癌と免疫細胞の組合せをシードポイントとして使用して、全体的定量化(空間マップなど)をマイニングして、表現型の関連性を伝播させることで、任意の組織切片において、距離のカットオフに基づいてシードの周りに細胞の空間ネットワークを成長させることによって(例えば、約100個の細胞)、マイクロドメインを生成することができる。このような例示的なマイクロドメイン62は、図7に示す例示的な組織切片64に示されている。
Referring again to FIG. 3, following step 50, the method then proceeds to step 55. In step 55, the microdomain identification component 35 determines whether (e.g., other The microdomain or microdomains are identified and located (as described in the section). For example, a cancer cell type and its co-occurring particular immune cell type may have high spatial co-occurrence values. Using cancer and immune cell combinations as seed points, mine global quantification (e.g., spatial maps) to propagate phenotypic associations to distance cutoffs in any tissue section. Microdomains can be generated by growing a spatial network of cells (e.g., about 100 cells) around a seed based on a cell. Such an
次に、ステップ60では、ステップ55で特定された各マイクロドメインについて、空間的不均一性の局所的定量化(例えば、局所PMIマップなどの局所的空間マップ)が求められる。更に、各組織切片で決定された局所的定量化の各々が使用されて、組織切片におけるマイクロドメインの対間の類似度の度合いが規定される。特に、例示的な実施形態では、2つのマイクロドメインA及びマイクロドメインBが与えられると、(i)マイクロドメインA及びマイクロドメインBにおける細胞の相対存在量の差と、(ii)それらの局所的定量化(例えば、PMIA及びPMIBなどの局所的空間マップであるか、本明細書で述べたように、他の方法が使用されてもよい)の差との組合せである距離関数が規定される。この手順は、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10の全てにわたって、マイクロドメインの全ての対について繰り返される。このプロセスにより、各組織切片のマイクロドメインの対ごとに、重み付き類似度が決定される。 Next, in step 60, a local quantification of spatial heterogeneity (eg, a local spatial map such as a local PMI map) is determined for each microdomain identified in step 55. Furthermore, each local quantification determined in each tissue section is used to define a degree of similarity between pairs of microdomains in the tissue section. In particular, in an exemplary embodiment, given two microdomains A and B, (i) the difference in the relative abundance of cells in microdomain A and microdomain B, and (ii) their local A distance function is defined that is a combination of quantification (local spatial maps such as PMI A and PMI B , or other methods may be used, as mentioned herein). be done. This procedure is repeated for all pairs of microdomains across all multiparameter cellular and intracellular image data 10. This process determines a weighted similarity measure for each pair of microdomains in each tissue section.
次に、ステップ65で、図8に例示的な形式で示された重み付きマイクロドメイングラフ66が、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10について構築される。重み付きマイクロドメイングラフ66の各ノード68は、ステップ55で生成されたマイクロドメインの1つであって、マイクロドメインの各対を接続するエッジ72は、それらの決定された類似度(例えば、上述の重み付けされた類似度の値)によって重み付けされる。その後、重み付きマイクロドメイングラフ66はディスプレイ20に表示されてよい。
Next, in step 65, a
次に、図3のステップ70に示されているように、重み付きマイクロドメイングラフ66を更に分析することで、転移の過程中における表現型の進行を理解することができる。再発(R)又は非再発(NR)患者の何れかに由来するものとして、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10の各組織切片全体についてグランドトゥルースラベルが存在するが、アプリオリには、どのマイクロドメインが2つのカテゴリーを最も区別するかを確認するための知識は利用できないことに留意のこと。例示的な実施形態では、ラベルR及びラベルNRは、組織切片から対応するマイクロドメインへと移される。その後、確率伝搬を数回繰り返してラベルを改善し、そして、一様にR又はNRである重み付きマイクロドメイングラフ66のマイクロドメインのクリーク(clique)を分離する。ラベル割り当ての信頼性が改善したことで、中間中心性尺度(betweenness centrality measure)を使用して、NRからRへの経路で最も一般的に移されるマイクロドメインを特定することができる。進化軌跡を模倣するために、重み付きマイクロドメイングラフ66のランダムウォークを行うことができ、一部のマイクロドメインは、観測された又は観測されていない転移データの何れかにのみ見られることは知られている。NRからRへの経路の相対確率を比較することで、転移に重要なイベントのクラスを特定することができる。次に、ランダムウォークの平均最初の通過時間を使用して、ランダムウォークがR又はNRの何れかに到達する確率が0.5であるノードのセットとして、転移する傾向のあるマイクロドメインを特定することができる。転移の可能性があるマイクロドメインは、NRからRへの進化軌跡の中間点であることに留意のこと。例示的な実施形態では、先ほど説明したステップがCSPSAプラットフォーム5の構成要素によって実行され、その結果がCSPSAプラットフォーム5のディスプレイ20でユーザーに表示されることに留意のこと。このように、開示される概念のこの態様は、本明細書に記載されているようにして、転移に重要な表現型(表現型の進化(phenotypic evolution))を規定し、特定し、比較する能力をもたらす。加えて、癌は開示される概念が適用できる分野の一例にすぎず、開示される概念は、特に神経変性疾患、代謝性疾患、炎症性疾患などの他の疾患組織にも適用できることは理解されるであろう。
The
図9は、本実施形態では患者からの幾つかの腫瘍切片から得られ得るマルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10から、空間情報に基づく異種細胞間コミュニケーションの表現を生成する方法を示すフローチャートであって、開示される概念の別の例示的な実施形態に従ってCSPSAプラットフォーム5に実装されてよい。しかしながら、これは単なる例示であることが意図されており、図9に示された方法のステップは、他の構成及び/又はプラットフォームで実装され得ることは理解されるであろう。
FIG. 9 is a flowchart illustrating a method for generating a representation of heterogeneous intercellular communication based on spatial information from multiparameter cellular and intracellular image data 10 that may be obtained from several tumor sections from a patient in this embodiment. may be implemented in the
本方法は、ステップ75で開始し、空間的不均一性定量化コンポーネント30は、本明細書の他の箇所で詳細に説明されているように、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10における空間的不均一性の定量化をもたらす。本明細書の他の箇所で述べたように、ステップ75で実行される空間的不均一性の定量化は、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10に対して細胞フェノタイピングを実行して、異なる所定の表現型を特定することを含む。例示的な実施形態では、ステップ75でもたらされた定量化は、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10の空間マップである。ある特定の実施態様では空間マップは、本明細書の他の箇所で言及されており、参照により本明細書の一部となるPCT出願第PCT/US2016/036825号及び米国特許出願公開第2018/0204085号に記載されている方法で生成される。この例示的な実施態様では、組織の各切片を複数の異なるバイオマーカー(例えば、ER、PR、及びHER2)で標識することによって組織の幾つかの切片から幾つかのバイオマーカー画像を生成することで、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10が生成されてよい。非限定的で例示的な実施形態では、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10は、多重化又はハイパープレックス化された免疫蛍光イメージングを用いて生成されるが、本明細書の他の箇所に記載されているもののような、他のイメージング技術も使用できることは理解されるであろう。 The method begins at step 75, where the spatial heterogeneity quantification component 30 performs spatial heterogeneity quantification in the multiparameter cellular and subcellular image data 10, as described in detail elsewhere herein. Provides quantification of heterogeneity. As mentioned elsewhere herein, the quantification of spatial heterogeneity performed in step 75 includes performing cell phenotyping on the multiparameter cellular and subcellular image data 10 to including identifying a predetermined phenotype. In an exemplary embodiment, the quantification provided in step 75 is a spatial map of the multiparameter cellular and subcellular image data 10. In certain embodiments, the spatial map is referred to elsewhere herein and is incorporated herein by reference in PCT Application No. PCT/US2016/036825 and U.S. Patent Application Publication No. 2018/ It is produced by the method described in No. 0204085. In this exemplary embodiment, several biomarker images are generated from several sections of tissue by labeling each section of tissue with multiple different biomarkers (e.g., ER, PR, and HER2). , multiparameter cellular and intracellular image data 10 may be generated. In a non-limiting exemplary embodiment, multiparameter cellular and intracellular image data 10 is generated using multiplexed or hyperplexed immunofluorescence imaging, but as described elsewhere herein. It will be appreciated that other imaging techniques can also be used, such as those described.
次に、ステップ80にて、マイクロドメイン識別コンポーネント35は、ステップ75でもたらされた定量化に基づいて、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10の腫瘍切片の各々において、本明細書に記載されているようにして1又は複数のマイクロドメインを識別し、位置を特定する。次に、ステップ85にて、識別されたマイクロドメインの1又は複数が選択される。その後、本方法はステップ90に進む。 Next, at step 80, the microdomain identification component 35 determines, as described herein, in each of the tumor sections of the multiparameter cellular and intracellular image data 10 based on the quantification provided at step 75. The microdomain or microdomains are identified and located according to the method. Next, at step 85, one or more of the identified microdomains are selected. The method then proceeds to step 90.
ステップ90で、コミュニケーションネットワークコンポーネント45は、選択されたマイクロドメインの各々について、コミュニケーショングラフを構築する。コミュニケーショングラフはディスプレイ20に表示されてよい。例示的なコミュニケーショングラフ92が図10に示されている。図10に示されているように、例示的な実施形態では、表現型の各々は、コミュニケーショングラフ92のノード94であって、コミュニケーショングラフ92の表現型の各対(ノード94の各対)の間のエッジ96は、対の一方の表現型が対の他方の表現型の存在に与える影響を示している。例示的な実施形態では、コミュニケーショングラフ92の各表現型(各ノード94)は、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10から得られるデータベクトルによって表される。また、例示的な実施形態のコミュニケーショングラフ92のエッジ96は、表現型の各対について、対の表現型のデータベクトル間の線形又は非線形の相関係数の値を決定して、対の表現型間の数値関係を確立することによって、(対の表現型以外の表現型の交絡効果を取り除いた後)生成される。加えて、数値関係の各々について、好ましくは、関連するバイオマーカーの幾つかの受容体-リガンドデータベースに基づいて、方向性が確立される。このようにして、本実施形態では、ノード94の各対の間のエッジ96は、決定された数値関係と決定された方向性とを示している。例示的な実施形態では、エッジ96は、特定の相関係数の値(例えば、正又は負の相関の度合い)を表すように色付けされてよい。 At step 90, communication network component 45 constructs a communication graph for each of the selected microdomains. The communication graph may be displayed on display 20. An exemplary communication graph 92 is shown in FIG. As shown in FIG. 10, in the exemplary embodiment, each of the phenotypes is a node 94 of communication graph 92, and each of the phenotypes of each pair of phenotypes (each pair of nodes 94) of communication graph 92 is The edge 96 in between shows the influence of the phenotype of one of the pairs on the presence of the other phenotype of the pair. In the exemplary embodiment, each phenotype (each node 94) of communication graph 92 is represented by a data vector obtained from multiparameter cellular and intracellular image data 10. The edge 96 of the communication graph 92 of the exemplary embodiment also determines, for each pair of phenotypes, the value of a linear or non-linear correlation coefficient between the data vectors of the pair of phenotypes to (after removing the confounding effects of phenotypes other than the paired phenotypes). In addition, for each numerical relationship, a directionality is preferably established based on several receptor-ligand databases of relevant biomarkers. Thus, in this embodiment, the edges 96 between each pair of nodes 94 indicate a determined numerical relationship and a determined directionality. In an exemplary embodiment, edges 96 may be colored to represent a particular correlation coefficient value (eg, degree of positive or negative correlation).
加えて、例示的な実施形態では、各ノード94の各データベクトルは、幾つかの所定のバイオマーカーの発現値のベクトルであって、それら所定のバイオマーカーは、マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ10を生成する際に使用された特定のバイオマーカーである。例えば、発現値の各ベクトルは、ステップ75で決定された所定のバイオマーカーのバイオマーカー強度パターンであってよい。また、各データベクトルが分析されて、生物学的に解釈して、表現型の各々(各ノード94)について幾つかの活性化状態98が決定されてよく、その活性化状態98はコミュニケーショングラフ92に含まれる。例えば、バイオマーカーのALDH1は腫瘍細胞のステムネス(stemness)のサロゲート(surrogate)であり、バイオマーカーのPD-L1は変異の負担を決定する。 Additionally, in the exemplary embodiment, each data vector of each node 94 is a vector of expression values for a number of predetermined biomarkers, where the predetermined biomarkers include multiparameter cellular and intracellular image data. The specific biomarkers used in generating 10. For example, each vector of expression values may be a biomarker intensity pattern for a given biomarker determined in step 75. Additionally, each data vector may be analyzed and biologically interpreted to determine a number of activation states 98 for each of the phenotypes (each node 94), which activation states 98 are connected to the communication graph 94. include. For example, the biomarker ALDH1 is a surrogate for tumor cell stemness, and the biomarker PD-L1 determines mutational burden.
図11は、表現型(ノード94)が腫瘍細胞、リンパ球、マクロファージ、ストロマ及びネクローシスである特定の例示的実施形態に基づいて生成された特定のコミュニケーショングラフの模式図である。様々なエッジの影響96と様々な活性化状態98もまた示されている。 FIG. 11 is a schematic diagram of a particular communication graph generated based on a particular exemplary embodiment in which the phenotypes (nodes 94) are tumor cells, lymphocytes, macrophages, stroma, and necrosis. Also shown are various edge effects 96 and various activation states 98.
本明細書に記載されているマッピングの成果の1つは、局所的腫瘍微小環境(TME)に基づいて疾患の進行経路を推測し、続いてその経路における既知の分子標的をリストアップすることである。これに続いて、機械学習ツール(例えば、Balestra Web)を用いて、空間的関係性に基づいて薬剤標的の相互作用を予測することができる。これは、新たな治療法の開発だけでなく、薬剤の再利用につながる可能性がある。更に、以下に詳細に記載されているのは、開示された概念の様々な態様を組み込むことができる例示的な幾つかの臨床用途(例えば、CSPAプラットフォーム5の用途)であって、次を含む:(1)空間変調計算システムパソロジーを用いた創薬及び個別化医療戦略、(2)患者の癌/疾患状態のマルチパラメトリックな読み出しの幾何学的表現である癌/疾患ランドスケープ、及び(3)基礎研究及び臨床翻訳のためのインビトロモデル用のCSPAプラットフォームの用途。 One of the outcomes of the mapping described herein is the inference of disease progression pathways based on the local tumor microenvironment (TME) and subsequent listing of known molecular targets in that pathway. be. Following this, machine learning tools (eg, Balestra Web) can be used to predict drug target interactions based on spatial relationships. This could lead to the repurposing of drugs as well as the development of new treatments. Additionally, described in detail below are several exemplary clinical applications (e.g., applications of CSPA Platform 5) that may incorporate various aspects of the disclosed concepts, including: : (1) drug discovery and personalized medicine strategies using spatially modulated computational system pathology; (2) cancer/disease landscapes, which are geometric representations of multiparametric readouts of patient cancer/disease status; and (3) ) Application of the CSPA platform for in vitro models for basic research and clinical translation.
ある特定の例示的な実施形態では、開示された概念は、空間変調計算システムパソロジーを用いた創薬及び個別化医療戦略に使用することができる。より具体的には、空間的腫瘍内不均一性は、癌の時間発展と患者の運命を決定する上で重要な特徴である。この不均一性は、マイクロドメインに組み込まれた異種細胞間コミュニケーションネットワークの多様性に反映されることから、結果として得られるシステムバイオロジーは患者に依存する。現在の治療戦略は、平均的な患者を対象に設計されているため、患者特有のシステムバイオロジーを反映していない。患者特有のシステムパソロジーは、関心のあるマイクロドメイン/領域を特定し、その根底にあるコミュニケーションネットワークの特性を明らかにし、マイクロドメインの相互依存性を空間的にも時間的にも正確に定量化することから始まる。この知識はまた、新薬設計戦略に不可欠である。この戦略はまた、領域特異的ゲノミクスを利用することでも強化できる。 In certain exemplary embodiments, the disclosed concepts can be used for drug discovery and personalized medicine strategies using spatial modulation computational system pathology. More specifically, spatial intratumoral heterogeneity is an important feature in determining the temporal evolution of cancer and patient fate. This heterogeneity is reflected in the diversity of heterogeneous intercellular communication networks embedded in microdomains, making the resulting systems biology patient dependent. Current treatment strategies are designed for the average patient and do not reflect the patient's unique systems biology. Patient-specific systems pathology identifies microdomains/regions of interest, characterizes their underlying communication networks, and precisely quantifies microdomain interdependencies both spatially and temporally. It starts with doing. This knowledge is also essential for new drug design strategies. This strategy can also be enhanced by using region-specific genomics.
図12は、開示された概念のこの態様に基づく個別化医療戦略の模式図であり、組織切片から個別化治療処置に及んでいる。図12は、左から順に、i)細胞/細胞内解像度でのマルチパラメータ画像、ii)画像内の関心領域(マイクロドメイン)の特定、iii)特定の接続の重みと細胞/マイクロドメイン間の空間的関係を使用したマイクロドメイン内コミュニケーションネットワークの再構築、iv)正確なシステムバイオロジーを抽出するために情報を組み合わせること、v)個別化治療戦略の規定、を示す。 FIG. 12 is a schematic illustration of a personalized medicine strategy based on this aspect of the disclosed concept, ranging from tissue sections to personalized therapeutic treatments. Figure 12 shows, from left to right, i) multiparameter images at cell/subcellular resolution, ii) identification of regions of interest (microdomains) within the image, and iii) specific connection weights and spaces between cells/microdomains. iv) combining information to extract accurate systems biology; and v) defining personalized treatment strategies.
図12に示すように、図示した例示的実施形態では、個々の患者について、サンプルのマイクロドメイン1とマイクロドメイン2とが表現型的に異なることがわかった。この組織サンプルについては、本明細書に記載されているようなフェノタイピングアルゴリズムが適用される。次に、異種細胞間ネットワークが、本明細書に記載されているようにして各マイクロドメインについて構築される。マイクロドメイン1とマイクロドメイン2に別々に適用された予後検査は、両方のマイクロドメインが再発のリスクが低いことを明らかにしている。しかしながら、それらのマイクロドメインが近接している場合には、再発のリスクは劇的に高くなり、マイクロドメイン1とマイクロドメイン2の間で情報が流れていることが示唆される。故に、開示された概念のこの態様では、異種細胞間ネットワークは、どの経路が活性化されており、2つのネットワークの間にどのような関係があるかを知らせる。例えば、WNTシグナルは、マイクロドメイン2ではアップレギュレートされるが、マイクロドメイン1ではダウンレギュレートされ、また、TGFβは、マイクロドメイン1ではアップレギュレートされるが、マイクロドメイン2ではダウンレギュレートされる。
As shown in FIG. 12, in the illustrated exemplary embodiment,
開示された概念のこの態様では、経路及びマイクロドメインネットワークが特定され、故に、特定の個人の癌の進行を遅らせるために抑制されなければならない情報の流れも更に特定される。これらの情報を用いて、個別化医療戦略を立てることができる。別の特定の例示的実施形態では、開示された概念は、特定の患者における癌などの疾患の時間発展を正確に記述するために使用できる。故に、開示された概念は、患者の癌状態のマルチパラメトリック読出しの幾何学的表現である癌のランドスケープを規定する。癌のランドスケープの各ポイントは、前癌、初期段階、浸潤のような患者の癌の状態を表している。このランドスケープで辿った経路は、その特定の患者の疾患の時間発展を記述する。現在の治療法は、患者集団にわたって平均化された癌のランドスケープを使用している。個々の患者のプロファイルが平均的プロファイルと完全に一致しない限り、平均的モデルで行われた予測は不正確であり得る。 In this aspect of the disclosed concept, pathways and microdomain networks are identified, and thus also information flows that must be inhibited to slow the progression of cancer in a particular individual. Using this information, personalized medicine strategies can be developed. In another specific exemplary embodiment, the disclosed concepts can be used to accurately describe the temporal evolution of a disease, such as cancer, in a particular patient. Thus, the disclosed concept defines a cancer landscape, which is a geometric representation of a multi-parametric readout of a patient's cancer status. Each point in the cancer landscape represents the patient's cancer status, such as precancerous, early stage, or invasive. The path followed in this landscape describes the temporal evolution of that particular patient's disease. Current treatments use cancer landscapes averaged across patient populations. Unless an individual patient's profile perfectly matches the average profile, predictions made with the average model may be inaccurate.
図13は、幾何学的表現を含む例示的な癌のランドスケープを示しており、ランドスケープ上の位置は、特定の例示的な患者状態を表す。図13では、大腸癌の進行を例としており、ラベル1が付されたくぼみは前癌状態を、ラベル2が付されたくぼみは小ポリープ状態を、ラベル3が付されたくぼみは大ポリープ状態を、ラベル4が付されたくぼみは浸潤性大腸癌状態を表している。幾何学的表現内の矢印は、前癌から浸潤癌まで患者が辿る経路を示す。このモデルから、癌の進展のダイナミクスを推測できる。 FIG. 13 shows an example cancer landscape that includes a geometric representation, where locations on the landscape represent particular example patient conditions. In Figure 13, the progression of colorectal cancer is taken as an example, and the depression labeled 1 indicates a precancerous state, the depression labeled 2 indicates a small polyp state, and the depression labeled 3 indicates a large polyp state. , the depression labeled 4 represents an invasive colon cancer condition. The arrows within the geometric representation indicate the path the patient follows from pre-cancer to invasive cancer. From this model, the dynamics of cancer progression can be inferred.
開示された概念のこの実施形態の一態様によれば、前癌から転移までの組織の進化について、本明細書に記載されたマイクロドメインの包括的なライブラリを構築するために、遡及的患者コホートが求められる。本明細書で記載したような特定の異種細胞間コミュニケーションネットワークが、各マイクロドメインに関連付けられる。加えて、各異種細胞間コミュニケーションネットワークは、常微分方程式の系の形態を取ったシステムバイオロジーモデルを有する。常微分方程式の系は、癌のランドスケープのキネティクスを規定する。前向きな研究では、このキネティクスは、前癌状態から転移までのマイクロドメインの時間発展を予測するのに役立つ。また、キネティックモデルは、合成組織の発生モデルの代用となる。 In accordance with one aspect of this embodiment of the disclosed concept, a retrospective patient cohort was developed to construct a comprehensive library of microdomains as described herein for tissue evolution from precancerous to metastatic. is required. A specific heterologous intercellular communication network, as described herein, is associated with each microdomain. In addition, each heterogeneous intercellular communication network has a systems biology model in the form of a system of ordinary differential equations. A system of ordinary differential equations defines the kinetics of the cancer landscape. In prospective studies, this kinetics can help predict the temporal evolution of microdomains from premalignant state to metastasis. Kinetic models also serve as a substitute for models of synthetic tissue development.
更に別の特定の例示的実施形態では、開示された概念は、基礎研究及び臨床翻訳のためにインビトロモデルと組み合わせて使用されてよい。より具体的には、先ほど説明した開示された概念の2つの特定の用途では、開示された概念のプラットフォームは、インサイチュのハイパープレックスな単一細胞解像度の固体腫瘍画像に適用された。本実施形態では、同じプラットフォームが、インビトロ微小生理学的(microphysiological)モデルからの画像データに適用される。多細胞インビトロモデルは、インビトロでの疾患進行のメカニズムの調査と、薬物のテストと、移植で使用可能なこれらのモデルの構造的構成及び内容の特徴付けとに適用可能なヒト組織を要約している時空間的細胞不均一性と異種細胞間コミュニケーションの研究を可能する。 In yet another specific exemplary embodiment, the disclosed concepts may be used in combination with in vitro models for basic research and clinical translation. More specifically, in two specific applications of the disclosed concept just described, the platform of the disclosed concept was applied to in situ hyperplex single cell resolution solid tumor images. In this embodiment, the same platform is applied to image data from an in vitro microphysiological model. Multicellular in vitro models summarize human tissues that are applicable for investigating mechanisms of disease progression in vitro, testing drugs, and characterizing the structural organization and content of these models for use in transplantation. It enables the study of spatiotemporal cellular heterogeneity and communication between different types of cells.
インビトロモデルには、2D培養物、3Dスフェロイド、オルガノイド、及び生体模倣微小生理学システムの形態がある。これらのシステムの目標は、生理的に適切なバイオミメティックスに近づくことであった。2D培養物は、表面付着で増殖する細胞培養物である。それらは2Dコミュニケーションネットワークを展開するので、情報の交換は二次元に制限される。3Dスフェロイドは、空間的に成長する細胞のクラスターである。細胞は人工的な環境で成長するが、それらは、細胞は全ての方向で相互作用して成長することができることから、インビボでの成長条件をより良く模倣する。オルガノイドとは、非常に小さいながらも自己組織化された三次元組織培養物である。それらは通常、幹細胞から作られる。オルガノイドは、臓器の複雑さの大半を再現するように作製すること、又は、特定の種類の細胞のみの生成のように臓器の選択した側面を表現するように誘導することができる。臓器機能の再生は、たとえ部分的であっても、インビトロで制御された条件でのシステムバイオロジーと異種細胞間コミュニケーションの再生を意味する。生体模倣微小生理学的システムは、オルガノイドに関して臓器機能を模倣する上での第一歩である。3Dマイクロ流体チャネル細胞培養チップは、臓器全体の全ての活動、メカニックス、及び生理学的反応を模倣する。これにより、システムバイオロジーや異種細胞間ミュニケーションネットワークをより正確に表現することが可能となる。 In vitro models include the form of 2D cultures, 3D spheroids, organoids, and biomimetic microphysiological systems. The goal of these systems was to approach physiologically relevant biomimetics. 2D cultures are cell cultures that grow by surface attachment. Since they deploy 2D communication networks, the exchange of information is limited to two dimensions. 3D spheroids are clusters of cells that grow spatially. Although cells are grown in an artificial environment, they better mimic in vivo growth conditions since cells can interact and grow in all directions. Organoids are extremely small, self-organized, three-dimensional tissue cultures. They are usually made from stem cells. Organoids can be created to reproduce most of the complexity of an organ, or they can be induced to express selected aspects of an organ, such as the generation of only certain cell types. Regeneration of organ function, even if only partially, means regeneration of systems biology and heterologous cell-cell communication under controlled conditions in vitro. Biomimetic microphysiological systems are the first step in mimicking organ function with respect to organoids. The 3D microfluidic channel cell culture chip mimics all the activities, mechanics, and physiological responses of an entire organ. This makes it possible to more accurately represent systems biology and communication networks between different types of cells.
この特定の実施形態の1又は複数の態様では、画像のタイムラインを構築し、モデルにおける推測されたネットワークの進展を比較することによって、時空間的な細胞不均一性及び異種細胞間コミュニケーションが監視されてよい。2D培養物からバイオミメティックMPSまでのインビトロシステムの複雑さのレベルは、開発可能なシステムバイオロジーモデルの複雑さに反映される。全てのインビトロモデルに適用可能であるが、適切な3D組織で様々な細胞型を階層化又はバイオプリンティングすることによって構築された生体模倣モデルは、モデル内で空間的関係を規定することによって最も恩恵を受けるであろう。先ほど説明した開示された概念の2つの特定の用途で規定された同じタイプのシステムパソロジーがここでも有効であろう。目標は、インビトロモデルが、検討中のインサイチュ組織/臓器で特定された組織的及び空間的関係を反映していることと、システムバイオロジーをインビトロで再現できることとを実証することである。モデルは確立されて、「正常な」健康状態で研究されるか、或いは、疾患のある患者の細胞を、及び/又は、モデルに必要な細胞型に分化及び成熟した患者からの人工多能性幹細胞(iPSC)を使用して疾患モデルとして確立されてよい。異なる時点で、選択された治療の後、モデルは、患者の組織と同じように、固定され、埋め込まれて、切片化され、標識化される。次に、ハイパープレックス撮像方式が標識化された組織切片に適用される。そして、モデルから得られた組織切片に、本明細書に記載されている開示概念の計算システムパソロジー解析が適用されてよい。 In one or more aspects of this particular embodiment, spatiotemporal cellular heterogeneity and heterogeneous cell-to-cell communication are monitored by constructing a timeline of images and comparing the evolution of inferred networks in the model. It's okay to be. The level of complexity of in vitro systems, from 2D cultures to biomimetic MPSs, is reflected in the complexity of systems biology models that can be developed. Although applicable to all in vitro models, biomimetic models constructed by layering or bioprinting various cell types in appropriate 3D tissues benefit most from defining spatial relationships within the model. will receive. The same type of system pathology defined in the two specific applications of the disclosed concept discussed earlier will be valid here as well. The goal is to demonstrate that the in vitro model reflects the organizational and spatial relationships identified in the in situ tissues/organs under consideration and that systems biology can be reproduced in vitro. Models can be established and studied in "normal" healthy conditions, or cells from patients with disease and/or induced pluripotency from patients that have differentiated and matured into the cell types required for the model. Stem cells (iPSCs) may be used to establish disease models. At different time points and after the selected treatments, the model is fixed, embedded, sectioned, and labeled in the same way as the patient's tissue. A hyperplex imaging method is then applied to the labeled tissue sections. The computational system pathology analysis of the disclosed concepts described herein may then be applied to tissue sections obtained from the model.
最後に、これまで腫瘍の切片から得られた画像データについて説明してきたが、この開示された概念は、他の種類の組織切片から得られた画像データや、固体の未切片(un-sectioned)サンプルに入り込むことができる撮像方式を用いて未切片サンプルから得られた画像データにも適用できることは理解されるであろう。 Finally, although we have discussed image data obtained from tumor sections, the disclosed concepts are applicable to image data obtained from other types of tissue sections, as well as from solid un-sectioned sections. It will be appreciated that it is also applicable to image data obtained from unsectioned samples using imaging modalities that can penetrate the sample.
特許請求の範囲において、括弧の間に置かれた符号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈してはならない。「備える」又は「含む」という言葉は、特許請求の範囲に記載されているもの以外の要素又は工程の存在を排除するものではない。幾つかの手段を列挙している装置請求項では、これらの手段の幾つかが、1つの同じハードウェアによって具現化されてよい。要素に先行する「ある」という言葉は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。幾つかの手段を列挙している任意の装置請求項では、これらの手段のうちの幾つかが、1つの同じハードウェアによって具現化されてよい。ある要素が相互に異なる従属形式請求項に記載されているという事実だけで、これらの要素を組み合わせては使用できないことを示しているわけではない。 In the claims, any signs placed between parentheses shall not be construed as limiting the claim. The word ``comprising'' or ``comprising'' does not exclude the presence of elements or steps other than those listed in a claim. In the device claim enumerating several means, several of these means may be embodied by one and the same item of hardware. The word "a" preceding an element does not exclude the existence of more than one such element. In any device claim enumerating several means, several of these means may be embodied by one and the same item of hardware. The mere fact that certain elements are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these elements cannot be used.
本発明は、最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられている実施形態に基づいて説明することを目的として、詳細に説明されてきたが、そのような詳細はあくまでもその目的のためのものであり、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内にある変更及び均等な構成を含むことが意図されていることを理解のこと。例えば、本発明は、可能な範囲で、任意の実施形態の1又は複数の特徴を、任意の他の実施形態の1又は複数の特徴と組み合わせることができることを意図していることを理解のこと。 Although the invention has been described in detail for the purpose of illustrating the invention in terms of what is presently believed to be the most practical and preferred embodiment, such details are only for that purpose. It is intended that the invention not be limited to the disclosed embodiments, but on the contrary, it is intended to cover modifications and equivalent constructions within the spirit and scope of the appended claims. Understand that. For example, it is understood that the invention contemplates that, to the extent possible, one or more features of any embodiment may be combined with one or more features of any other embodiment. .
Claims (43)
前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにおいて、幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の全体的定量化を生成する工程と、
前記全体的定量化に基づいて、前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから複数の組織切片について複数のマイクロドメインを特定する工程であって、各マイクロドメインは前記複数の組織切片の個々の1つに関連している、工程と、
前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データについて重み付きグラフを構築するステップであって、前記重み付きグラフは、前記幾つかの異なる所定の表現型の進行を示しており、複数のノードと、各々がノードの対の間に位置する複数のエッジとを有し、前記重み付きグラフにおいて、各ノードは、前記複数のマイクロドメインの特定の1つであり、前記重み付きグラフにおけるマイクロドメインの各対の間のエッジは、マイクロドメインのその対間の類似度の度合いを示しており、前記重み付きグラフが分析されて、前記疾患の進行を理解することができる、工程と、
を含む方法。 A method for analyzing disease progression from multiparameter cellular and subcellular imaging data obtained from multiple tissue samples from multiple patients or several multicellular in vitro models, comprising:
generating a global quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in the multiparameter cellular and subcellular image data;
identifying a plurality of microdomains for a plurality of tissue sections from the multiparameter cellular and subcellular image data based on the global quantification, each microdomain being a respective one of the plurality of tissue sections; A process related to
constructing a weighted graph for the multi-parameter cellular and intracellular image data, the weighted graph showing the progression of the several different predetermined phenotypes, each comprising a plurality of nodes, a plurality of edges located between pairs of nodes, in the weighted graph, each node being a particular one of the plurality of microdomains; the edges between indicate the degree of similarity between the pair of microdomains, and the weighted graph can be analyzed to understand the progression of the disease;
method including.
処理装置を備えており、前記処理装置は、
前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにおいて、幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の全体的定量化を生成するように構成された空間的不均一性定量化コンポーネントと、
前記全体的定量化に基づいて、前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから複数の組織切片について複数のマイクロドメインを特定するように構成されたマイクロドメイン識別コンポーネントであって、各マイクロドメインは前記複数の組織切片の個々の1つに関連している、マイクロドメイン識別コンポーネントと、
前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データについて重み付きグラフを構築する重み付きグラフコンポーネントであって、前記重み付きグラフは、前記幾つかの異なる所定の表現型の進行を示しており、複数のノードと、各々がノードの対の間に位置する複数のエッジとを有し、前記重み付きグラフにおいて、各ノードはマイクロドメインの特定の1つであり、前記重み付きグラフにおけるマイクロドメインの各対の間のエッジは、マイクロドメインのその対間の類似度の度合いを示しており、前記重み付きグラフが分析されて、前記疾患の進行を理解することができる、重み付きグラフコンポーネントと、
を含む、システム。 A system for analyzing disease progression from multiparameter cellular and subcellular imaging data obtained from multiple tissue samples from multiple patients or several multicellular in vitro models, comprising:
A processing device is provided, and the processing device includes:
a spatial heterogeneity quantification component configured to generate a global quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in the multiparameter cellular and subcellular image data; ,
a microdomain identification component configured to identify a plurality of microdomains for a plurality of tissue sections from the multiparameter cellular and intracellular image data based on the global quantification, each microdomain being configured to identify a plurality of microdomains from the multiparameter cellular and subcellular image data; a microdomain identification component associated with an individual one of the tissue sections;
a weighted graph component for constructing a weighted graph for the multiparameter cellular and intracellular image data, the weighted graph showing the progression of the several different predetermined phenotypes, the weighted graph comprising a plurality of nodes and , each node being a particular one of the microdomains in the weighted graph, and each node being a particular one of the microdomains between each pair of microdomains in the weighted graph. a weighted graph component, the edges of which indicate a degree of similarity between the pair of microdomains, and the weighted graph can be analyzed to understand the progression of the disease;
system, including.
前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データ内の幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の定量化を生成して、前記定量化に基づいて前記幾つかの組織サンプルの1つについてマイクロドメインを特定する工程であって、前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにフェノタイピングを実行して前記幾つかの異なる所定の表現型を特定することを含む、工程と、
前記マイクロドメインのコミュニケーショングラフを構築する工程であって、各表現型は、前記コミュニケーショングラフのノードであって、前記コミュニケーショングラフの表現型の各対の間のエッジは、その対における一方の表現型がその対における他方の表現型の存在に与える影響を示す、工程と、
を含んでおり、
前記コミュニケーショングラフの各表現型は、前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから得られたデータベクトルによって表され、
表現型の各対について、その対の表現型のデータベクトル間の関連性又は影響の強さの値を決定することで、その対の表現型間の数値関係を確立する工程と、各数値関係について方向性を確立する工程とを含んでおり、表現型の各対間のエッジは、その対における表現型間の数値関係と、その対における表現型間の数値関係の方向性とを示す、方法。 A method for generating a representation of heterogeneous intercellular communication based on spatial information from multiparameter cellular and intracellular image data obtained from several tissue samples from several patients or several multicellular in vitro models, comprising: ,
generating a quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in the multi-parameter cellular and intracellular image data, and determining one of the several tissue samples based on the quantification; identifying microdomains for a given number of different predetermined phenotypes by performing phenotyping on the multiparameter cellular and intracellular image data;
constructing a communication graph of the microdomain, wherein each phenotype is a node of the communication graph, and an edge between each pair of expressions of the communication graph corresponds to one phenotype in the pair; showing the effect of the expression on the presence of the other phenotype in the pair;
It contains
Each phenotype of the communication graph is represented by a data vector obtained from the multiparameter cell and intracellular image data,
establishing, for each pair of phenotypes, a numerical relationship between the pair of phenotypes by determining an association or strength of influence value between the data vectors of the pair of phenotypes; the edge between each pair of phenotypes indicates a numerical relationship between the phenotypes in that pair and a directionality of the numerical relationship between the phenotypes in that pair. Method.
処理装置を備えており、前記処理装置は、
前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データにおける幾つかの異なる所定の表現型の細胞間の空間的不均一性の定量化を生成するように構成された空間的不均一性定量化コンポーネントであって、前記幾つかの異なる所定の表現型を特定するために前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データで細胞フェノタイピングを実行する、空間的不均一性定量化コンポーネントと、
前記定量化に基づいて、前記幾つかの組織サンプルについて複数のマイクロドメインを特定するように構成されたマイクロドメイン識別コンポーネントであって、各マイクロドメインは、前記幾つかの組織サンプルの1つに関連している、マイクロドメイン識別コンポーネントと、
前記複数のマイクロドメインの選択された一つについてコミュニケーショングラフを構築するように構成されているコミュニケーションネットワークコンポーネントであって、各表現型は、前記コミュニケーショングラフのノードであって、前記コミュニケーショングラフの表現型の各対の間のエッジは、その対における一方の表現型がその対における他方の表現型の存在に与える影響を示す、コミュニケーションネットワークコンポーネントと、
を含んでおり、
前記コミュニケーショングラフの各表現型は、前記マルチパラメータ細胞及び細胞内画像データから得られたデータベクトルによって表され、前記コミュニケーションネットワークコンポーネントは、
表現型の各対について、その対の表現型のデータベクトル間の関連性又は影響の強さの値を決定することで、その対の表現型間の数値関係を確立する工程と、各数値関係について方向性を確立する工程とを含んでおり、表現型の各対間のエッジは、その対における表現型間の数値関係と、その対における表現型間の数値関係の方向性とを示すように構成される、システム。 A computer system for generating spatially informed representations of heterogeneous intercellular communication from multiparameter cellular and intracellular image data obtained from several tissue samples from several patients or several multicellular in vitro models. And,
A processing device is provided, and the processing device includes:
a spatial heterogeneity quantification component configured to generate a quantification of spatial heterogeneity between cells of several different predetermined phenotypes in the multiparameter cellular and intracellular image data, the component comprising: a spatial heterogeneity quantification component that performs cellular phenotyping on the multiparameter cellular and subcellular image data to identify the several different predetermined phenotypes;
a microdomain identification component configured to identify a plurality of microdomains for the several tissue samples based on the quantification, each microdomain being associated with one of the several tissue samples; a microdomain identification component,
a communication network component configured to construct a communication graph for a selected one of the plurality of microdomains, wherein each representation is a node of the communication graph; an edge between each pair of communication network components indicating the influence of one phenotype in that pair on the presence of the other phenotype in that pair;
It contains
Each phenotype of the communication graph is represented by a data vector obtained from the multiparameter cellular and intracellular image data, and the communication network component comprises:
establishing, for each pair of phenotypes, a numerical relationship between the pair of phenotypes by determining an association or strength of influence value between the data vectors of the pair of phenotypes; the edge between each pair of phenotypes indicates the numerical relationship between the phenotypes in that pair and the directionality of the numerical relationship between the phenotypes in that pair. The system consists of :
34. The system of claim 33 , wherein the several multicellular in vitro models are selected from the group consisting of 2D cultures, 3D spheroids, organoids, and biomimetic microphysiology systems.
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